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一文读懂X射线荧光光谱仪(XRF)

点击次数:493 发布时间:2021-11-04
      一文读懂X射线荧光光谱仪(XRF)
  原理用X射线照射试样时,试样可以被激发出各种波长的荧光X射线,需要把混合的X射线按波长(或能量)分开,分别测量不同波长(或能量)的X射线的强度,以进行定性和定量分析,为此使用的仪器叫X射线荧光光谱仪。
  仪器构造
  激发光源
  两种类型的X射线荧光光谱仪都需要用X射线管作为激发光源。灯丝和靶极密封在抽成真空的金属罩内,灯丝和靶极之间加高压(一般为40KV),灯丝发射的电子经高压电场加速撞击在靶极上,产生X射线。X射线管产生的一次X射线,作为激发X射线荧光的辐射源。只有当一次X射线的波长稍短于受激元素吸收限1min时,才能有效的激发出X射线荧光。大于1min的一次X射线其能量不足以使受激元素激发。
  X射线管的靶材和管工作电压决定了能有效激发受激元素的那部分一次X射线的强度。管工作电压升高,短波长一次X射线比例增加,故产生的荧光X射线的强度也增强。但并不是说管工作电压越高越好,因为入射X射线的荧光激发效率与其波长有关,越靠近被测元素吸收限波长,激发效率越高。
  X射线管产生的X射线透过铍窗入射到样品上,激发出样品元素的特征X射线,正常工作时,X射线管所消耗功率的0.2%左右转变为X射线辐射,其余均变为热能使X射线管升温,因此必须不断的通冷却水冷却靶极。
  波长色散型
  分光晶体:
  作用:是通过晶体衍射现象把不同波长的X射线分开。
  原理:根据布拉格衍射定律2dsinθ=nλ,当波长为入的X射线以θ角射到晶体,如果晶面间距为d,则在出射角为θ的方向,可以观测到波长为=2dsinθ的一级衍射及波长为λ/2,λ/3等高级衍射。改变θ角,可以观测到另外波长的X射线,因而使不同波长的X射线可以分开。
  能量色散型
  能量色散谱仪是利用荧光X射线具有不同能量的特点,将其分开并检测,不必使用分光晶体,而是依靠半导体探测器来完成。
  X光子射到探测器后形成一定数量的电子-空穴对,电子-空穴对在电场作用下形成电脉冲,脉冲幅度与X光子的能量成正比。在一段时间内,来自试样的荧光X射线依次被半导体探测器检测,得到一系列幅度与光子能量成正比的脉冲,经放大器放大后送到多道脉冲分析器。
  按脉冲幅度的大小分别统计脉冲数,脉冲幅度可以用X光子的能量标度,从而得到计数率随光子能量变化的分布曲线,即X光能谱。
  特点及应用
  1.优点:设备相对简单。可以在大气中工作,灵敏度高。
  2.缺点:X射线入射深度较大,因而当薄膜厚度在微米级以下时,常规射线技术在测定薄膜结构和成分信息时没有优势。
  如:实验使用Cu靶X射线的波长约为0.15nm,其在固体中的穿透厚度一般在100~10000m之间,然而一般薄膜厚度通常在10~100nm。这时X射线穿透深度远大于样品薄膜厚度,因此常规的X射线荧光法衬底的干扰很大,很难实现对纳米级薄膜进行成分分析。所以,需要控制X射线的入射角度,减小入射深度,减轻衬底信息的干扰。
  X射线荧光光谱仪的不断完善和发展所带动的X射线荧光分析技术已被广泛用于冶金,地质、矿物、石油、化工、生物、医疗、刑侦、考古等诸多部门和领域。X射线荧光光谱分析不仅成为对其物质的化学元素、物相、化学立体结构、物证材料进行试测,对产品和材料质量进行无损检测,对人体进行医检和微电路的光刻检验等的重要分析手段,也是材料科学、生命科学、环境科学等普遍采用的一种快速、准确而又经济的多元素分析方法。同时,X射线荧光光谱仪也是野外现场分析和过程控制分析等方面仪器之一。
  应用领域
  样品制备与分析进行X射线荧光光谱分析的样品,可以是固态,也可以是水溶液。无论什么样品,样品制备的情况对测定误差影响很大。
  对金属样品要注意成分偏析产生的误差;化学组成相同,热处理过程不同的样品,得到的计数率也不同;成分不均匀的金属试样要重熔,快速冷却后制成圆片;对表面不平的样品要打磨抛光;对于粉末样品,要研磨至300目-400目,然后压成圆片,也可以放入样品槽中测定。对于固体样品如果不能得到均匀平整的表面,则可以把试样用酸溶解,再沉淀成盐类进行测定。对于液态样品可以滴在滤纸上,用红外灯蒸干水份后测定,也可以密封在样品槽中。
  总之,所测样品不能含有水,油和挥发性成分,更不能含有腐蚀性溶剂。
  定性与定量分析
  1.定性分析:不同元素的荧光X射线具有各自的特定波长,因此根据荧光X射线的波长可以确定元素的组成。
  如果是波长色散型光谱仪,对于一定晶面间距的晶体,由检测器转动的2θ角可以求出X射线的波长λ,从而确定元素成分。事实上,在定性分析时,可以靠计算机自动识别谱线,给出定性结论。
  但是如果元素含量过低或存在元素间的谱线干扰时,仍需人工鉴别。
  2.定量分析:X射线荧光光谱法进行定量分析的依据是元素的荧光X射线强度Ii与试样中该元素的含量Wi成正比:
  根据上式,可以采用标准曲线法,增量法,内标法等进行定量分析。但是这些方法都要使标准样品的组成与试样的组成尽可能相同或相似,否则试样的基体效应或共存元素的影响,会给测定结果造成很大的偏差。
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